1 Buck主電路設(shè)計

　?、?整流部分

　　整流單元如圖2，根據(jù)系統(tǒng)要求，交流輸入220V，輸出最大10A，整流后空載輸出為約310V(最大)，帶負載(約5A)后，直流電壓大約下降8～9V。

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　　圖2 整流濾波電路圖

　　E1為整流后進行濾波，如果電容值過大，寄生電感電阻過大，會造成不必要的能量損耗，而且在上電瞬間，會造成整流橋瞬間沖擊電流過大。

　　本次設(shè)計采用為耐壓450V的電解電容C=1200μF。整流橋采用KBPC5010型二極管，耐壓為1000V，正向平均整流電流IF(AV)=50.0A(t=55℃),且體積較小、發(fā)熱低、較實用，所選器件符合本設(shè)計的要求。

　　② 降壓部分

　　降壓電路如圖3所示。

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　　圖3 Buck降壓單元

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，直流輸入最大300V，直流輸出最大60V，電流輸出最大10A。本電路中的IGBT采用FGA25N120AND，VCES=1200V，IC=20A，trr=235ns，參數(shù)滿足實驗要求。

　　Vref為直流電壓輸入，R0、C0為無感阻容吸收部分，以吸收IGBT關(guān)斷瞬間儲存的能量和濾除尖峰，RS為采樣電阻，DCA-DCA為電流互感器，采樣輸出電流，“Sample”為采樣輸出端。各參數(shù)具體選取如下：

　　A 無感電容C0、電阻R0的計算

　　C0=(2.5～5)×10-8×If;If為IGBT的電流(20A)，可以得出C0=0.5～1μF;

　　R0=((2～4)×535)/If=53.5～107。

　　實際實驗中，經(jīng)過不同RC的匹配，最終選擇電阻R0為100Ω/5W、C0為1μF/630V。

　　B 分壓采樣電阻的選擇

　　為了不影響后級輸出，分壓支路電流應(yīng)盡可能的小，分壓電阻盡量大，但考慮到電阻越大，內(nèi)部噪聲也越大，二者折中。DSP采樣電壓最大為3V，而直流輸出最大為60V，故設(shè)定分壓比例為1/20，選取如下：RS=5KΩ/0.1，RS=250Ω/0.1。

　　C 電感L的選擇

　　輸出電感的量值對于在開關(guān)關(guān)斷時維持到負載的電流十分關(guān)鍵。為了能在最極端的輸出電壓和輸入電流條件下保證最小的電感值仍然支持降壓變換器的輸出電流,從而向負載輸出電流,這個最小電感值是需要確定的一個量值。

　　下式為一經(jīng)驗公式，用于確定一個連續(xù)Buck變換器所需的臨界電感值。

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　　其中，f為IGBT的開關(guān)頻率(10～20kHz)，D為占空比，IO為輸出電流(5～10A)?？捎嬎愕肔C=2.5～5.0mH，本設(shè)計取5.0mH。

　　輸出Vdc=50V，Imax=10A，Rs采樣輸出電壓，通過線性光耦，由DSP進行PID運算調(diào)節(jié)輸出PWM信號，使Buck電路輸出電壓恒定50V。

　　D 濾波電容E2的選擇

　　輸出端電容器(E2)是為了使輸出電壓變得平滑而使用的，升壓型的產(chǎn)品因為針對負載電流而斷續(xù)地流入電流，與降壓型產(chǎn)品相比需要更大的電容值。在輸出電壓較高以及負載電流較大的情況下，由于紋波電壓會變大，因此根據(jù)各自的情況而選用相應(yīng)的電容值，推薦使用2000μF以上電容器。

　　為了獲得穩(wěn)定的輸出電壓，最好選用等效串聯(lián)電阻(ESR)較小且容量較大的電容器。特別推薦使用低溫特性及泄漏電流特性等優(yōu)異的鉭電解電容器或有機半導(dǎo)體電容器，而且采用小容值電容與大電容(耐壓等級相同)并聯(lián)可起到消除高次諧波與降低等效串聯(lián)電容的作用。

　　本次設(shè)計中，設(shè)定IGBT開關(guān)頻率為f=10kHz，電感L=5.0mH，E2=2000μF/400V，鉭電解電容器。

　　③ 紋波改善

　　在實驗中發(fā)現(xiàn)，紋波與電感有較大關(guān)系，當(dāng)輸出電流未達到電感磁芯的飽和電流時，輸出尖峰較小;當(dāng)達到電感磁芯的飽和電流時，輸出尖峰瞬間增大。改善電感及磁芯，采用飽和電流較大的電感，在尖峰較小的情況下，可以達到電流標(biāo)準(zhǔn)值。

　　由實驗波形圖可知，在IGBT開關(guān)時刻產(chǎn)生紋波。改善IGBT開關(guān)狀態(tài)可以降低紋波，在IGBT門極之前串聯(lián)一25Ω電阻，可改善IGBT導(dǎo)通情況。輸出直流50V紋波波形見圖4。

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　　圖4 Buck單元輸出直流50V時紋波波形(×10)

　　可見，紋波大小為530mV(+1.1%)滿足本設(shè)計的要求。

　　2 三相橋式逆變的設(shè)計

　　圖5給出了一個典型的三相逆變器的結(jié)構(gòu)。其中，Va、Vb、Vc是逆變輸出三相電壓，分別接三相負載，D1～D6為續(xù)流二極管。PWMx和PWMx_(x=A、B、C)控制逆變器的6個電壓功率管，當(dāng)一個功率管的上臂導(dǎo)通時(PWMx=1)，同一個功率的下臂關(guān)斷(PWMx_=0)。

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　　圖5 三相逆變橋

　?、?功率管IGBT的選取

　　系統(tǒng)要求直流輸入Vdc最大60V，電流最大10A，輸出頻率最高100Hz，IGBT開關(guān)頻率最高3.3kHz(載波比N=33)。根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計選用FairChild公司FGA25N120AND型IGBT，參數(shù)為VCES=1200V，IC=20A，trr=235ns。

　?、?無感阻容吸收RC的選取

　　RC選取如下：無感電阻R1～R6= 100Ω/5WΩ，無感電容C1～C6=1μF/630V。

　?、?LC濾波的設(shè)計(無源濾波)

　　逆變輸出三相電壓Va、Vb、Vc經(jīng)LC濾波后，以得到平滑的正弦波，分別接三相阻性負載(7Ω)，負載連接方式為星形連接。LC原則上只允許基波(中心頻率)通過。

　　本設(shè)計要求輸出頻率為50～100Hz，可計算得LC=1.01×10-5～2.53×10-6。

　　圖6中，濾波LC的值由經(jīng)驗值和實際實驗中比較確定，權(quán)衡最小值和最大值，最終選取LA～LC=0.98mH，CA～CC=2μF/500V±5%。

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　　圖6 LC濾波

　　本設(shè)計中，LC濾波為無源濾波，雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是有一個缺點：只能有一個中心頻率，當(dāng)輸出頻率改變時，中心頻率不能跟隨變化，使輸出波形稍有畸變。若采用有源濾波器，滿足不同頻率范圍的輸出，而波形畸變可以減小到最小，但是相應(yīng)的成本則會增加。

　　本設(shè)計中無源濾波雖然在不同頻率時使波形有些畸變，但是可以滿足系統(tǒng)輸出的要求。